戶用型中小功率獨立光伏逆變器大學本科畢業(yè)論文

畢業(yè)設計題目戶用型中小功率獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設計畢業(yè)設計專用紙摘要太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽光輻射能量直接轉化為電能的發(fā)電技術，它是可再生能源和新能源的重要組成部分，被認為是當今世界上最有發(fā)展前景的新能源技術。打印部分：83031

畢業(yè)設計專用紙1緒論太陽能光伏發(fā)電技術太陽能光伏發(fā)電的概況隨著人類工業(yè)化的進程，人類對能源的需求不斷增長，與此同時，也帶來了不可再生能源的日漸減少和環(huán)境污染的日益嚴重等問題。面對全球范圍內的能源危機和環(huán)境壓力，人類要解決能源問題，實現可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源和新能源。太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點，豐富的太陽輻射能是重要的可再生能源，取之不盡、用之不竭、無污染、廉價、是人類能夠自利用的能源。太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽光輻射能量直接轉化為電能的發(fā)電技術，它是可再生能源和新能源的重要組成部分，被認為是當今世界上最有發(fā)展前景的新能源技術。太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現狀及應用前景世界太陽能光伏發(fā)電發(fā)展現狀及前景近幾年國際上光伏發(fā)電快速發(fā)展，世界上已經建成了10多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個兆瓦級的聯(lián)網光伏電站。美國是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網電價，大大推動了光伏市場和產業(yè)發(fā)展，使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計劃，并投巨資進行技術開發(fā)和加速工業(yè)化進程。世界光伏組件在1990年—2005年年平均增長率約15%。20世紀90年代后期，發(fā)展更加迅速，1999年光伏組件生產達到200兆瓦。商品化電池效率從10%～13%提高到13%～15%，生產規(guī)模從1～5兆瓦/年發(fā)展到5～25兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦擴大。光伏組件的生產成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行業(yè)調查表明，到2010年，光伏產業(yè)的年發(fā)展速度將保持在30%以上。年銷售額將從2004年的70億美金增加到2010年的300億美金。國內太陽能光伏發(fā)電發(fā)展現狀及前景1畢業(yè)設計專用紙中國太陽能資源非常豐富，理論儲量達每年17000億噸標準煤。太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊，具有巨大的開發(fā)潛能。中國光伏發(fā)電產業(yè)于20世紀70年代起步，90年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產量逐年穩(wěn)步增加。經過30多年的努力，已迎來了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”先導項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，我國光伏發(fā)電產業(yè)迅猛發(fā)展。根據《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國力爭使太陽能發(fā)電裝機容量達到，到2050年將達到600GW。預計，到2050年，中國可再生能源的電力裝機將占全國電力裝機的25%，其中光伏發(fā)電裝機將占到5%。未來十幾年，我國太陽能裝機容量的復合增長率將高達25%以上。太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)點太陽光輻射能經太陽能電池轉換為電能，再經過能量存儲、能量變換控制等環(huán)節(jié)，向負載提供合適的直流或者交流電能。與常規(guī)發(fā)電及其他綠色能源發(fā)電技術相比，太剛能光伏發(fā)電技術有以優(yōu)點：(1)是真正的無污染排放、不破壞環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的綠色能源；(2)能量具有廣泛性，隨處可得，不受地域的限制；(3)于無機械轉動部件而運行可靠，故障率低；(4)維護簡單，可以無人值守；(5)應用場合廣泛和靈活，既可以獨立于電網運行，也可以與電網并網返行；(6)無需架設輸電線路，可以方便地與建筑物相結合；(7)建站周期短，規(guī)模大小隨意，發(fā)電效率不隨發(fā)電規(guī)模的大小而變。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電的基本原理太陽能光伏發(fā)電的基本原理是利用太陽能電池的光生伏特效應直接把太陽的輻射能轉變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式，太陽能轉化為電能的轉換器件就是太陽能電池。當太陽能光照射到P、N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的太陽能電池上時，其中一部分光線被反射，2畢業(yè)設計專用紙一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片。被吸收的光能激發(fā)被束縛的高能級狀態(tài)下的電子，產生電子—空穴對，在PN結的內建電場作用下，電子、空穴相互運動，N區(qū)的空穴向P區(qū)運動，P區(qū)的電子向N區(qū)運動，使太陽能電池的受光面有大量負電荷積累，而在電池的背光面有大量正電荷積累。若在電池兩端接上負載，負載上就有電流通過，當光線一直照射時，負載上將源源不斷地有電流流過。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類從結構特征上看，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為三種基本類型：獨立運行、并網型和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。(1)獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖l-1所示。獨立型光伏系統(tǒng)一般屋頂的太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器及控制系統(tǒng)組成，太陽能電池陣列將太陽光能量收集之后充電系統(tǒng)儲存到蓄電池中。在蓄電池沒有充滿的情況下，一般蓄電池提供電能進行逆變提供給用戶，如果天氣晴朗，當蓄電池充滿電的情況下，也可以太陽能電池板直接提供電能進行逆變，用戶可以根據天氣情況和蓄電池剩余電量的多少來判斷是蓄電池進行逆變還是直接太陽能電池板進行逆變過程。作為家用的小型系統(tǒng)，獨立光伏系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)勢，它體積小，便于安裝使用和維護，成本較小，于獨立光伏系統(tǒng)中有并網系統(tǒng)所沒有的蓄電池部分，所以可以應用更長時間，基本能夠滿足普通用戶的需要。獨立光伏系統(tǒng)一般將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池中，然后再通過逆變成為普通用戶所使用的交流電。3畢業(yè)設計專用紙(2)并網型光伏發(fā)電系統(tǒng)并網型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖l-2所示。并網光伏系統(tǒng)是指太陽能發(fā)出的直流電轉化為和電網同頻同相的交流電，既向負載供電，也可以向電網發(fā)電，可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網發(fā)電系統(tǒng)具有可調度性，可以根據需要并入或退出電網，還具有備用電源的功能，當電網因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網發(fā)電系統(tǒng)不具備可調度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。(3)混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖l-3所示?；旌闲凸夥l(fā)電系統(tǒng)是在系統(tǒng)中增加一臺備用發(fā)電機組，當光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池容量不足時，可以啟動備用發(fā)電機組，它既可以直接給交流負載供電，又可以經整流后給蓄電池補充充電，在混合系統(tǒng)中，還可以兩種可再生能源發(fā)電技術構成混合系統(tǒng)。最常見的是風光互補系統(tǒng)。4畢業(yè)設計專用紙的研究內容本論文研究的目的是開發(fā)出一個高性能、價格低廉的修正正弦波輸出的獨立型光伏逆變系統(tǒng)。針對獨立光伏系統(tǒng)進行較為深入的分析，對于系統(tǒng)的工作原理、結構、控制方法、參數選擇等方面進行論證，主要有以下幾方面內容：(1)在介紹太陽能電池板的分類特點，蓄電池的特性的基礎上對太陽能電池板和蓄電池進行選型和設計，并對蓄電池的充放電的控制進行研究。(2)對獨立型光伏系統(tǒng)的不同主電路結構拓撲結構，工作原理，控制策略進行詳細的分析，并根據設計要求選擇合適的拓撲結構。(3)對系統(tǒng)進行可靠性設計，提出對系統(tǒng)的保護方法和系統(tǒng)設計可靠的輔助電路。(4)根據系統(tǒng)設計目標，用高頻技術研制了500W修正正弦波輸出逆變電源，具體設計指標如下：輸入電壓：12V輸出電壓：220V輸出頻率：50Hz輸出功率：500W效率：?80%過載能力：110%-120%5

畢業(yè)設計專用紙2獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設計獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結構框圖如上圖2-1所示，主要太陽能電池方陣、太陽能控制器、蓄電池組、逆變器四部分構成。圖2-1獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成太陽能電池太陽能電池是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。太陽能電池是利用光電轉換原理使太陽的輻射光能通過半導體物質轉變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉換過程是通過“光生伏特效應\實現的，因此又被稱為“光伏電池”，其作用是將太陽能轉化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。蓄電池組蓄電池是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中必須的儲能部件。在設計選擇光伏系統(tǒng)蓄電池時需要考慮的指標因素很多，如容量、電壓、放電深度、循環(huán)壽命、充放電性能、自放電率、運行溫度及維護要求等等。光伏系統(tǒng)對蓄電池組的要求是：自放電率低；使用壽命長；深放電能力強；6畢業(yè)設計專用紙充電效率高；少維護或免維護；工作溫度范圍寬；價格低廉。綜合考慮以上各因素，本系統(tǒng)采用市場上普遍使用的VRLA蓄電池。逆變器光伏電池陣列所發(fā)出電能為直流電，而大多數用電設備需交流供電，所以系統(tǒng)必須將直流電轉換為用戶所需要的交流電。逆變器是一種半導體器件組成的電力調整裝置，主要用于把直流電力轉換成交流電力。一般升壓電路和逆變橋式電路構成。升壓電路把太陽電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓；逆變橋式電路則把升壓后的直流電壓等價地轉換成常用頻率的交流電壓。對逆變器的基本要求是：能輸出一個電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定的交流電，無論是輸入電壓發(fā)生波動還是負載發(fā)生變換，都要能達到一定的電壓精度；具有一定的過載能力，一般能過載120%-150%；輸出電壓波形含的諧波成分應盡量少；控制器控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，主要用于實現整套系統(tǒng)地充、放電管理控制。對于蓄電池部分，太陽能光伏陣列發(fā)出的直流電能，經過控制器對蓄電池進行充放電控制，如MPPT控制；但于設計的的光伏逆變系統(tǒng)低電壓輸入，太陽能電池板滿足輸出電流小，蓄電池組處于充放電的循環(huán)狀態(tài)，綜合考慮成本，經濟效益等方面，因此不考慮對蓄電池的控制，只進行基本的穩(wěn)壓措施即可。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變電源設計的要求逆變電源部分將太陽能電池或蓄電池的直流電轉化為交流電供用戶使用，是光伏系統(tǒng)的關鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變電源有較高的要求：具有較高的效率。于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利7畢業(yè)設計專用紙用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設法提高逆變電源的效率。具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變電源具有合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱，過載保護等。直流輸入電壓具有較寬的適應范圍。于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有鉗位作用，但于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內阻的變化而波動，特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V～16V之間變化，這就要求逆變電源必須在較大的直流輸入電壓范圍內保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設備，這些設備對電網品質有較高的外，當中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網運行時，為避免對公共電網的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。主電路拓撲結構的設計升壓環(huán)節(jié)拓撲結構比較升壓環(huán)節(jié)實際上是DC-DC開關電源，DC-DC變換器的拓撲結構有很多，但本設計的是作為逆變電源的直流升壓環(huán)節(jié)，需要有電氣隔離。故此，只介紹以下幾種結構：(1)正激式如圖2-2所示，電路拓撲簡單，在變壓器繞組中加一去磁繞組就可以實現去磁，是中小功率變換器常用的設計方案。但是，這種拓撲存在許多不足之處。首先變壓器鐵芯單向磁化，利用率低，主功率管承受兩倍的輸入電壓，只能適合低壓輸入電路。其次，主功率管一般占空比小于。另外，于添加了去磁繞組使變壓器的結構復雜化，變壓器工藝水平的高低將直接影響到電路的性能。8畢業(yè)設計專用紙圖2-2正激式變壓器電路結構(2)推挽式如圖2-3所示，電路結構簡單，可以看成兩個完全對稱的單端反激式交換器的組合。因此變壓器鐵芯是雙向磁化的，相同鐵芯尺寸下，推挽電路比正激式電路輸出更大的功率。但電路必須有良好的對稱，否則鐵芯容易引起電流偏磁飽和。另外，于變壓器原邊漏感的存在，使主功率管必須承受超過兩倍電源電壓，因此功率管電壓尖峰很大，承受較大電壓應力。適合低壓大電流場合。圖2-3推挽式變壓器電路結構(3)半橋式如圖2-4所示，變壓器鐵芯不存在直流偏磁現象，變壓器兩象限工作，利用率高，功率管只承受電源電壓，適合高壓中功率場合。圖2-4半橋式變壓器電路結構9畢業(yè)設計專用紙(4)全橋式如圖2-5所示，功率管只承受電源電壓。并且鐵芯利用率高，易采用軟開關的工作方式，但功率器件較多，控制及驅動較復雜，并且存在直通現象，適合大功率場合。圖2-5全橋式變壓器電路結構(5)反激式如圖2-6所示，它的電路形式與正激式變換器相似，主功率管的承受的電壓也相同，只是變壓器的接法不同。從輸出